新型蛋白质定向降解系统GPlad的从头设计及其在合成生物学中的应用

研究人员针对传统蛋白质降解方法依赖预融合降解标签或化学降解剂的局限性，开发了基于从头设计引导蛋白的定向蛋白质降解系统GPlad。该系统利用精氨酸激酶McsB实现对荧光蛋白、代谢酶和人类蛋白的精准降解，并拓展出antiGPlad、OptoGPlad和GPTAC等调控工具，成功应用于可编程电路构建、实验室适应性进化和代谢工程改造，为合成生物学提供了无需预编辑的"即插即用"式调控策略。

　　

在合成生物学领域，精确调控细胞内蛋白质水平是操纵细胞功能的核心挑战。传统方法如PROTACs（蛋白降解靶向嵌合体）和分子胶虽在真核系统中取得进展，但细菌体系仍面临降解剂依赖、操作复杂等瓶颈。更棘手的是，现有技术需对靶蛋白进行预修饰——要么融合降解标签（degron）可能干扰蛋白功能，要么依赖化学诱导剂增加成本。这些问题严重限制了蛋白质水平调控在微生物制造和工业生物技术中的应用。

江南大学研究人员在《Nature Communications》发表的研究中，开发了名为GPlad（Guided Protein Labeling and Degradation）的革命性系统。该系统通过从头设计的引导蛋白（GP）将精氨酸激酶McsB定向至靶蛋白，利用精氨酸磷酸化标记触发ClpCP蛋白酶降解，实现了无需预编辑的"即插即用"式蛋白质调控。

研究采用三大关键技术：1）基于Rosetta软件设计靶蛋白特异性引导蛋白；2）构建包含McsB标记模块和ClpCP降解模块的质粒系统；3）开发光遗传学调控的OptoGPlad系统。通过细菌双杂交、共聚焦显微成像和定量蛋白质组学等方法验证了系统效能。

设计与构建GPlad系统
通过筛选发现来自枯草芽孢杆菌的精氨酸激酶McsB比结核分枝杆菌的PafA-20S系统更高效，对报告蛋白mKate2的降解率达56.7%。设计针对mKate2疏水界面的引导蛋白GP^mKate2（GP12959），形成三元复合物使靶蛋白精氨酸磷酸化，6小时内荧光降低43%。

系统优化与表征
引入激活蛋白McsA使降解效率提升至89%，优化ClpCP表达后消除生长抑制。系统成功降解内源蛋白ErmB（93.5%）和AroK（84.5%），以及异源人类FGFR2（76.1%）。4D-FastDIA蛋白质组学证实系统特异性极高，2758个蛋白中仅靶蛋白显著减少。

扩展工具开发
设计抗性蛋白antiMcsB可逆抑制降解；基于光敏二聚体Magnet系统开发OptoGPlad，蓝光诱导下MutH降解使突变率提升1613倍；构建双引导蛋白的GPTAC，可同时降解mKate2和eGFP（68.3%-77.1%）。

应用验证
1）构建蛋白质振荡器维持14小时周期性波动；
2）OptoGPlad加速大肠杆菌对原儿茶酸（PCA）耐受性进化，所需世代从220代缩短至100代，发酵生产率提升27.2%；
3）GPTAC动态调控AroE使3-脱氢莽草酸（DHS）产量达92.6 g/L，较CRISPRi方法提高23.8%。

该研究开创性地将从头蛋白质设计应用于原核生物靶向降解领域，其模块化设计突破了传统方法对预修饰的依赖。GPlad系统的时间分辨率（小时级）远超转录调控（天级），为合成生物学提供了精准控制蛋白质稳态的新范式。特别值得注意的是，光控版本实现了空间和时间双重调控，在适应性进化中展现出独特优势。未来通过挖掘内源降解系统，该技术有望拓展至更多工业菌株，推动微生物制造从静态改造向动态调控的范式转变。